基于IBIS建模仿真分析的信號完整性問題

高速數(shù)字設(shè)計人員面臨的一個挑戰(zhàn)就是處理其電路板上的過沖、下沖、錯配阻抗振鈴、抖動分布和串?dāng)_問題。這些問題都可歸入信號完整性范疇。許多高速設(shè)計人員都使用輸入/輸出緩沖信息規(guī)范 (IBIS) 建模語言來預(yù)見并解決信號完整性問題。該建模語言自 20 世紀(jì) 90 年代以來便得到廣泛的運用，并已發(fā)展成為一種正式的標(biāo)準(zhǔn)：EIA-ANSI 656-B。IBIS 論壇2008 年 8 月發(fā)布的第 5 版標(biāo)準(zhǔn)仍然盛行。IBIS 使用電流-電壓 (I-V) 和電壓-時間 (V-t) 數(shù)據(jù)表來描述某個器件的 I/O 引腳特性。廠商們通過仿真或測量其器件 I/O 單元生成這些表。

對于那些現(xiàn)在高達(dá) 20 Gbits/秒時鐘頻率的高速設(shè)計來說，我能夠理解對于這類系統(tǒng)仿真工具的需求。IBIS 使得 SPICE 仿真選項顯得不那么重要，因為仿真時間大大縮短，并且擁有同樣的準(zhǔn)確度。我所說的 IBIS 仿真時間更短，是相對于一個大型 PCB 系統(tǒng)需要數(shù)天或數(shù)周時間來完成一次晶體管級 SPICE 仿真而言的，其執(zhí)行一次 IBIS 仿真只需數(shù)分鐘或幾小時的時間。通過一次 IBIS 仿真，您可以生成許多傳輸線響應(yīng)和眼圖。

IBIS 格式已經(jīng)表明了其在高速應(yīng)用行業(yè)中的價值。然而，它讓我真正感到吃驚的地方是廣大客戶現(xiàn)在正要求提供對更低頻率器件(例如：低于 40 MHz 的時鐘器件)的 IBIS 支持。最初，我以為組件工程師們一直試圖標(biāo)準(zhǔn)化其校驗表。現(xiàn)在，我并不那么確定了。即使在更低頻率下，我們也面臨許多信號完整性問題，這是因為數(shù)字信號邊緣速率。這些快速邊緣速率負(fù)責(zé)振鈴的時鐘信號，從而引起一條命令甚至 ADC 突發(fā) 2 增益的錯譯。IC 廠商擁有非常成熟的 SPICE 仿真宏模型，可用于精密器件，但是他們正緊跟我們的 IBIS 數(shù)字 I/O 模型庫。圖 1 描述了一個 IBIS 模型仿真非常有效的例子。

圖 1 ADC 處理器時鐘信號 (CH3) 和處理器上 ADC 的數(shù)據(jù)信號 (CH12)?？稍诰€獲取該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖 1 中，設(shè)計人員并未注意線路阻抗。該圖顯示了系統(tǒng)中 ADC 的測得結(jié)果。ADC 和處理器均位于其各自的板上，設(shè)計人員只是簡單地通過一條 1 米長的 CAT-5 雙絞線將兩塊板連接到一起。在圖 1 中，處理器的時鐘信號頻率 (CH3) 為 2.25 MHz。該 ADC 使用這一信號來將數(shù)據(jù)傳輸同步回處理器 (CH2)。

最初，設(shè)計人員認(rèn)為這兩個器件之間的慢時鐘速度不會引起端接問題。然而，時鐘和數(shù)據(jù)信號端接方法會形成許多超出規(guī)定高電平和低電平閾值(過沖和下沖)的信號，存在錯誤邊緣(振鈴)的信號并降低操作余量(弱化眼圖)的信號。

IBIS 仿真來幫忙!在您將電路實現(xiàn)為硬件以前可節(jié)省時間并降低成本。在進(jìn)行原型設(shè)計以前，您對某種設(shè)計進(jìn)行仿真時，廠商提供的 IBIS 模型以及您電路板的模型都是您工具箱中有用的東西。信號完整性問題對您的高速系統(tǒng)和低速系統(tǒng)都會產(chǎn)生影響。利用早期階段的仿真電路分析，您可以給您的系統(tǒng)施加許多不同的條件，以防止并檢測常見信號完整性問題。